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半导体材料前景可观,我国如何把握机遇?

发布时间:2019-09-12 18:05编辑:七娃阅读(

      近日,由工业和信息化部、上海市人民政府指导,中国半导体行业协会、中国电子信息产业发展研究院主办的第二届全球IC企业家大会暨第十七届中国国际半导体博览会(IC China2019)在上海开幕。其中,在化合物半导体产业趋势分论坛中,业内大佬们表达了自己的观点见解,力图共促产业发展。
      常见的半导体材料分为元素半导体和化合物半导体。
      元素半导体是以单一元素组成的半导体,属于这一材料的有硼、锗、硅、灰锡、锑、硒、碲等,其中以锗、硅、锡研究较早,制备工艺相对成熟。化合物半导体是指由两种或两种以上元素以确定的原子配比形成的化合物,并具有确定的禁带宽度和能带结构等半导体性质。
      目前半导体材料已发展至第三代。第三代半导体材料主要包括SiC、GaN、金刚石等,因其禁带宽度(Eg)大于或等于2.3电子伏特(eV),又被称为宽禁带半导体材料。
      和第一代、第二代半导体材料相比,第三代半导体材料具有高热导率、高击穿场强、高饱和电子漂移速率和高键合能等优点,可以满足现代电子技术对高温、高功率、高压、高频以及抗辐射等恶劣条件的新要求。是半导体材料领域最有前景的材料。
      1、碳化硅功率半导体芯片产业技术
      不同于硅产业体系已然成熟,中国大陆地区的化合物半导体产业体系仍处于发展之初。从衬底市场来看,由于高技术门槛导致化合物半导体衬底市场被日本、美国、德国厂商主导着。
      浙江大学电气工程学院院长盛况在演讲中表示,宽禁带半导体器件最关键的就是材料,现在6寸成了国际上碳化硅的主流,8寸的也有,但是暂未成为主流。按照现在的趋势,6寸保持主流状况至少还有5-10年时间。盛况认为,尤其是在国内,10年之内都不会有人考虑真正去做8寸的。虽说2015年时就有8寸样品,但是产业化还没有那么成熟,6寸刚刚建好不会轻易的换8寸线。
      芯片的产品现在在技术等级上,关于单芯片的容量,芯片产品点最多的是600V和650V,1200V也不少,电流到100安培左右。产品的容量最多、密集度最高的是二极管,约在600-650V,这基本上是买的最多产品线也最便宜的。现目前很多公司在供应。
      关于MOSFET,盛况在表示,厂商现在并没有二极管那么多,其稳定性很好,但对市场的接受度没有那么成熟。在最近几年增长的非常快,具体的来说有一些新的沟槽的技术,包括电阻如何下降,MOSFET主要的指标是单芯片面积的电阻能做到多小,就是相应的成本有多低。据统计,MOSFET的增长率每年大概在30%以上,增长速度较快,基本上两年翻一番。将来几年,在比例上来说电动汽车和光伏这还是会保持比较强劲的增长。光伏原来占的比例很高,电动汽车将来比例上有明显的增长,这会是一个新增的市场。
      关于当前国际上做碳化硅器件芯片公司所有的出货量的比例,在前三大家中,有一家美国公司、有一家德国公司以及一家日本公司,第4和第5分别是STM和MItsubishi。前10名的公司没有中国的公司,而前10的公司出货比例占了98%。对此,盛况表示:“中国的公司要成长,我们在2%里面还没有占多少,就是在市场上基本上没有我们的声音。但是我相信在如此的关注下,我们的这个行业,现在在2%,将来至少排到前5名。”
      对中国来说,盛况相信功率半导体所的前景是比较光明的,在可再生能源和新能源汽车两个大方向的拉动下,这个市场是非常大的。功率半导体芯片会迎来非常大的机遇,尤其是宽禁带碳化硅一定会占据新的份额,也一定会占据新增长市场里面比较大的份额,功率半导体芯片产业5-8年之内会有迅速的发展。
      2、适合5G的氮化镓射频器件技术
      氮化镓的射频器件经历了五个代次的发展过程。首先是在概念提出的时候,在1993年到1999年间,当时氮化镓的微波器件只是提供了一个理论上的值,功率密度做到了1.1瓦每毫米,但是还无法测量大功率器件的功率。同时一个标志性的事件就是半绝缘的碳化硅衬底已经出现,4000美金两英寸。
      在2000年之初有一个原型阶段,那时能够实现结构上的设计和表面钝化降低电流崩塌,从而使得器件真正的被测量到功率,那个阶段叫原型阶段。
      真正有产品是在2009年之前,那时的产品验证了氮化镓功率器件的可制造性可靠性,这样第一代的产品就已经出现但是没有规模应用,或者是少量的在军事上的应用。第二代的产品是以氮化镓的电压提升到从28V提升到50V为标志,氮化镓的射频器件进入通讯行业。
      第三代氮化镓的射频器件已经出现了一些趋势,宽频带的氮化镓出现,工作频段超过300兆,超高频的氮化镓也有报告,100赫兹的MMIC已经达到80%的效率。
      苏州能讯高能半导体有限公司董事总经理任勉介绍,氮化镓的产品的类型和对应的市场也有着变化,因为国际电联定义了整个5G通讯发展的频段。现在主要的通信市场用的器件是分立器件以及塑封的器件。现在MCM成为主流的需求,芯片模组里面会集成2-3颗甚至最多的8颗氮化镓的在里面,分装成小的模块,这个小模块是塑封的,实际上提高了整个产品的效率。
      任勉认为,高频阶段宽带通讯和5G补充频段上来说,氮化镓的产品会发生进一步的演化。首先是MMIC(单片微波集成电路)会成为主流,进一步进化成射频前端,或集成射频前端。其次是其功率密度本来高,能够实现更小的器件分装,尤其是MIMO基站,毫米波可能部署到1024个正列,届时集成度会有非常高的要求。再次是其宽带特性,在比较大的带宽范围之内有比较好的输出特性,这样的话能够使得过去要几个LEDMOS的应用领域换成一个氮化镓。
      全球氮化镓的射频功放芯片产能分布比较典型。美国有4间工厂,在美国氮化镓的射频器件的制造工厂全部是6寸的。而亚洲主要的工厂,如SUMITOMO、能讯、WIN、三安光电等,基本上都是以4寸的工厂为主,它们难以拿到6寸的衬底。任勉认为,实际上6寸的衬底加工效率明显高于4寸,如果大规模的6寸产能释放出来,包括中国日本在内的这些公司都会面临比较大的挑战。所以把产能以及生产工艺提高到6英寸甚至更高,是一个迫在眉睫的问题。
      3、硅基氮化镓产业化发展模式
      如今,5G应用像一个大引擎正在带领我们走入一场产业的革命,也带进我们走进高度智能化和信息化的时代,而这样新的时代对半导体材料的需求也发生了一些变化。5G时代需要新的半导体材料,也给整个半导体产业带来一次革命性的机会。硅基氮化镓的特性和优势,刚刚好可以满足整个5G时代对半导体材料的需求。
      英诺赛科科技有限公司董事长骆薇薇表示,从各种市场预测来看,硅基氮化镓在未来几年的发展是肯定会进入一个爆发性的发展周期,也就是说在未来5年会迎来硅基氮化镓这个产业的黄金发展周期。在未来的3-5年硅基氮化镓会逐步地取代一些传统的硅器件的市场,成为市场的主流方案。
      怎样才能在未来的5年的黄金发展周期内尽快加速硅基氮化镓产业化的进程,加快产品的市场占有率呢?骆薇薇认为有两个因素非常重要,一个是成本,一个是整个产业的生态系统。如果可以在成本上满足市场的需要,建立一个完善的生态系统,相信这个产业就可以很快的发展起来。
      在成本方面,今天市场上能看到的硅基氮化镓的芯片的成本总体上来说是同类硅产品的2-3倍以上,远远超过市场对这个产品的预期。因为性能有一定提高,市场愿意接受今天硅基氮化镓的成本比硅器件成本有一定的提高,但是这个提高是有一定的限度的。如果想突破硅器件对氮化镓市场的包围硅基氮化镓的产品的成本不能高于同样硅器件的1.5倍。
      同时在对成本很敏感的市场上,客户是希望成本有持续下降的空间,也就是说在未来得3-5年,客户的要求是一定要做到跟硅同样的硅材料同样的成本,或者是比硅更加便宜的成本,因为只有这样才能充分地调动市场的积极性,才能够让硅基氮化镓取得真正的市场上的突破和占有。
      除了成本之外,整个硅基氮化镓作为一个全新的产业,生态体系还不够完善。骆薇薇表示,现在做的硅基氮化镓,生产的效率和质量是非常依赖于上游的,比如说硅衬底,外延的设备的效率和封装的配套的体系,以及下游的一些系统的开发。所以对于整个产业来说,有效商业模式是一定离不开生态体系的建立,需要整个产业从上到下的合作共同完善生态系统的建立,只有这样整个产业可能才会高效发展。
      所谓建立生态系统,最主要的就是合作,通过合作能够让上下游共同地来开发,能够充分发挥氮化镓优势的定制化的材料。
      骆薇薇认为,硅基氮化镓是当前产业的一次重要的机会,应该也是中国半导体产业的一次重大的机遇,要想真正的抓住这个机遇,选择合适的商业模式和发展的模式是至关重要的,只有整个第三代半导体产业能够加强合作,联手共同激发这个产业的热情,才能加快产业的发展,实现共赢。
      4、写在最后
      化合物半导体以不同于硅材料等传统半导体的物理特性,拥有高频、高功率、抗高温、抗高辐射、光电性能优异等特点,特别适合于制造射频通信器件、光电子器件、电力电子器件等,在现今最火热的5G通信、新能源等市场中具有明确而可观的前景,是半导体产业重要的发展方向。
      各主要国家政府高度重视化合物半导体技术发展,国际龙头企业更是加速布局,争相抢占技术和市场制高点。我国是全球最大的化合物半导体应用市场,已经在5G、新能源应用领域取得国际瞩目的成绩。未来,我国在化合物半导体应用市场的优势将驱动产业上游环节提质增效发展,为全球企业提供重要发展机遇。